散糧穩(wěn)性計算表的編制及在教學評估中的應用

陳亞飛，汪益兵

(浙江國際海運職業(yè)技術學院，浙江舟山 316021)

一、引 言

“散裝谷物船積載”是海船船員晉升大副的評估考試項目之一［1］。船員根據(jù)所載貨物及船舶航次儲備情況，在確定航次貨運量及合理配載方案后，按要求完成填寫美國/澳大利亞/加拿大的散裝谷物穩(wěn)性計算表。目前，該項目的教學與評估都是通過手工完成的，對船員評估答題和評估員判卷評分，均存在計算量大、耗時且易差錯等問題。本文討論的“散裝谷物穩(wěn)性計算表”正是一種“規(guī)范和加強船員適任評估工作，確保船員適任評估公平、公正、廉潔、高效”［2］的教學工具。

二、編制散裝谷物船穩(wěn)性計算表的步驟與方法

本文以E輪為船舶資料，借助Excel介紹美國專用散裝谷物穩(wěn)性計算表的編制。美國國家貨物局散裝谷物穩(wěn)性計算表(以下簡稱“美國專用散糧表”)由首頁、三部分計算表及附錄組成，共7頁，其中，首頁主要為船舶相關資料、船長及檢驗員簽字等資料。三部分計算表包括船舶和貨物計算、燃油和水計算及谷物傾側力矩和穩(wěn)性概要計算，為本文的重點。其中，第三部分中“穩(wěn)性概要”又以“谷物許用傾側力矩法”［3］、“簡化條件法”［3］為介紹重點。附錄主要為靜穩(wěn)性力臂與谷物傾側力臂曲線圖的標繪及剩余動穩(wěn)性值Ad的計算，供船舶未配“谷物許用傾側力矩表”時使用，此部分本文省略。

1.航次貨運量及配載方案的確定

先由公式∑Q=min{NDW1，∑Vch/SF}［3］確定船舶航次貨運量，然后擬定船舶配載方案。因該部分大多為初始數(shù)據(jù)，可單獨設計一個工作表(Sheet)，具體版面及配載方案如圖1所示，對E輪配艙方案說明，除NO.3艙為部分裝載艙之外，其余艙均為滿載艙，具體編制過程省略。

圖1 E輪航次貨運量及配艙方案

2.船舶和貨物的計算

該部分為“美國專用散糧表”的第一部分，主要包括船舶“固重”部分的計算。本例按空船、船員及備品、船舶常數(shù)及各貨艙列表，數(shù)據(jù)情況見圖2，其中，對重心高度VCG一欄:前三項由E輪船舶資料提供，而各貨艙VCG的求取，若為滿載艙則在E輪“貨艙容積表”查取，若為部分裝載艙則以該艙實際配貨體積為引數(shù)在E輪“部分裝載艙的谷物橫向傾側體積矩表”(圖3)中內插查取“谷物體積中心高度”一欄。下面以NO.3艙(部分裝載艙)為例介紹該艙VCG值(單元格Q11)的編程計算，需采用Excel中IF邏輯函數(shù)、MATCH查找函數(shù)、INDEX引用函數(shù)及線性內插原理［4］，即 y=y1+(x-x1)*(y2-y1)/(x2-x1)。單元格Q11中輸入“=IF(N11*基本計算!Q4＞=貨艙容積表!C5-2，貨艙容積表!D5，INDEX(NO.3 艙傾側矩!C3:C35，MATCH(N11* 基本計算!Q4，NO.3 艙傾側矩!A3:A35))+(N11*基本計算!Q4-INDEX(NO.3 艙傾側矩!A3:A35，MATCH(N11* 基本計算!Q4，NO.3艙傾側矩!A3:A35)))*(INDEX(NO.3 艙傾側矩!C3:C35，MATCH(N11* 基本計算!Q4，NO.3艙傾側矩!A3:A35)+1)-INDEX(NO.3 艙傾側矩!C3:C35，MATCH(N11*基本計算!Q4，NO.3艙傾側矩!A3:A35)))/(INDEX(NO.3 艙傾側矩!A3:A35，MATCH(N11*基本計算!Q4，NO.3艙傾側矩!A3:A35)+1)-INDEX(NO.3 艙傾側矩!A3:A35，MATCH(N11*基本計算!Q4，NO.3艙傾側矩!A3:A35))))”。為方便易讀，上式中 x1、x2、y1及 y2分別用單劃線、雙劃線、單波浪線及雙波浪線表示。上式解釋:“如果NO.3艙實際配貨體積＞=該艙艙容-2，則說明該艙為滿載艙，VCG取‘貨艙容積表’中單元格D5的值;否者說明該艙為部分裝載艙，應在‘NO.3艙傾側矩’(圖3)中以該艙實際配貨體積(A列)為引數(shù)內插VCG(C列)”。本例因NO.3艙為部分裝載艙，VCG將取“NO.3艙傾側矩”中的內插值，自動內插結果為6.233。同樣方法，完成其余四個貨艙VCG的編程計算，結果如圖3中Q列所示。

得到各欄VCG值后，將其乘以重量(N列)即為對應垂向力矩值(S列)，最后對船舶“固重”小計，因公式簡單，這里從略。

圖2 美國專用散糧表之“船舶和貨物計算”

圖3 E輪船舶資料之“部分裝載艙的谷物橫向傾側體積矩表——NO.3貨艙(部分)”

3.燃油和水的計算

該部分為“美國專用散糧表”的第二部分，主要包括航次儲備量中的“液重”部分計算，本例按燃油、柴油及淡水列表，按離港、抵港兩種狀態(tài)分開填寫。其中，重量、VCG及自由液面力矩均按E輪航次儲備實際填寫，計算過程同“固重”部分。對“液重”進行小計后，將“固重”與“液重”合計，得到兩種狀態(tài)的排水量及垂向總力矩，計算結果如圖4中DISPLACEMENT(12行)所示，公式編寫從略。

合計后，按公式GM=KM-KG-δGM［3］f計算并校核船舶初穩(wěn)性高度GM。以抵港狀態(tài)為例，重心高度KG抵，單元格Q16輸入“=O12/L12”;自由液面修正值 δGMf抵，單元格 Q17輸入“=Q10/L12”;修正后的 KGV抵，單元格 Q19輸入“=Q16+Q17”;橫穩(wěn)心距基線高度 KM抵則以排水量△抵(44732)為引數(shù)從E輪“靜水力參數(shù)表”中內插求取，因方法同上述VCG的編程，這里從略。自動內插結果11.72;則“抵港”狀態(tài)時初穩(wěn)性高度GM抵，單元格 Q23輸入“Q21-Q22”，顯示結果為2.72，滿足最小要求值0.30m。同樣方法，完成離港狀態(tài)下初穩(wěn)性高度GM的編程計算。

圖4 美國專用散糧表之“燃油和水計算”

4.谷物傾側力矩及穩(wěn)性概要的計算

該部分為“美國專用散糧表”的第三部分，主要包括谷物傾側力矩、船舶穩(wěn)性概要的計算(圖5，圖6)。

在“谷物傾側力矩計算”模塊中，對“谷物空檔/深度”一欄，應以各艙實際配貨體積為引數(shù)在E輪對應貨艙的“部分裝載艙的谷物橫向傾側體積矩表”中內插“谷物裝艙深度”(B列)，從略;對“谷物傾側體積矩Mvi”一欄，公式編程思路與上述VCG相同，即若為滿載艙則在E輪“滿載艙的谷物橫向傾側體積矩表”中查取(本例取“未平艙”C列對應值)，若為部分裝載艙則以實際配貨體積在對應貨艙的“部分裝載艙的谷物橫向傾側體積矩表”(如NO.3艙應查圖3)中內插查取“谷物橫向傾側體積矩”(D列)，這里不再重復詳述;對“谷物橫傾力矩 Mui'”一欄采用公式 Mui'=Mvi/SF［5］求算，從略;對“谷物垂向移動傾側矩”一欄，垂移修正系數(shù)Cvi應根據(jù)第一部分“船舶和貨物計算”(圖2)中貨艙VCG的取值方法而定，即對滿載艙的VCG:當取艙容中心處時Cvi取1.0(即本例所采用，無需修正)，當取假定下沉后的體積中心處時Cvi取1.06(目前很少采用);對部分裝載艙 Cvi取 1.12［5］。因NO.3艙為部分裝載艙，故單元格U8輸入“=O8*0.12”。

在“穩(wěn)性概要”模塊中，排水量△、修正后的重心高度KGV取第二部分“燃油和水的計算”(圖4)對應值，按“離港”、“抵港”分開填寫;谷物假定傾側總力矩Mu'，單元格L17(及T17)輸入“=O12+U12”;谷物許用傾側力矩 Ma，則以△、KGV為引數(shù)從E輪“谷物許用傾側力矩表”(圖6)中查取，這里涉及兩個索引值，正常查取時應在四個數(shù)值中進行“二次內插”，但美國檢驗人員通常不進行內插，而是取四個數(shù)值中的最小一個。下面以離港狀態(tài)為例，介紹Ma(單元格L18)的編程計算:首先，在工作表“許用力矩”(圖6)中設計一個“經(jīng)KGv索引后的谷物許用傾側力矩Ma”輔助表，設計版面見圖7，先以 KGV離(單元格 L16，即 8.56)索引 Ma的較小值，如在“許用力矩”單元格B28輸入“=MIN(INDEX(B3:B23，MATCH(美 4!MYMLMYM16，MYMAMYM3:MYMAMYM23))，INDEX(B3:B23， MATCH(美 4!MYMLMYM16，MYMAMYM3:MYMAMYM23)+1))”，公式解釋:“當△為30000t時，索引靠近 KGV離=8.56下 Ma的較小值”，索引結果為26657，同樣分別索引△依次為32500、35000…及 47500時，靠近 KGV離=8.56下Ma的較小值，公式編程時只需將上式中“B3:B23”對應改為“C3:C23、D3:D23…及 I3:I23”即可，索引結果如圖7之 B列所示;然后在“經(jīng)KGv索引后的谷物許用傾側力矩Ma”輔助表(圖7)基礎上索引靠近△離=46332的Ma較小值，即在工作表“美4”單元格L18輸入“=MIN(INDEX(許用力矩!B28:B35，MATCH(L15，許用力矩!A28:A35))，INDEX(許用力矩!B28:B35，MATCH(L15，許用力矩!A28:A35)+1))”，索引結果為32422。同樣方法，完成對“抵港”的Ma(單元格T18)的公式編程。當采用“谷物許用傾側力矩法”校核船舶穩(wěn)性時，因船舶離港、抵港狀態(tài)下的谷物許用傾側力矩Ma均大于假定下沉的谷物傾側力矩Mu'，所以E輪在該配艙方案下三項穩(wěn)性衡準指標同時滿足要求。

圖5 美國專用散糧表之“谷物傾側力矩及穩(wěn)性概要計算”

圖6 E輪船舶資料之“谷物許用傾側力矩表(部分)”

圖7 經(jīng)KGv索引后的谷物許用傾側力矩Ma(輔助表)

當船舶裝載手冊中不具備“谷物許用傾側力矩表”時，在校核了初穩(wěn)性高度GM的基礎上，還須校核谷物假定傾側所產生的橫傾角θh及剩余靜穩(wěn)性力臂GZ'40(“簡化條件法”校核時)或剩余動穩(wěn)性值Ad(“剩余面積法”校核時)，并衡準θh不大于12°、GZ'40不小于 0.307m 或 Ad不小于 0.075m·rad。以離港狀態(tài)為例:對橫傾角按公式θh=arctan(Mu'/△·GM)［5］計算，工作表“美 4”單元格 L20輸入“=ATAN(L17/(L15*L22))*180/PI()”，計算結果7.7°，符合衡準要求;對剩余動穩(wěn)性值Ad，這里僅采用“簡化條件法”，即以剩余靜穩(wěn)性力臂GZ'40的校核來替代Ad的校核，以公式GZ'40=GZ40- λ40=GAZA-(KGV-KGA)sin40-0.8Mu'/△［5］計算，上式中:靜穩(wěn)性力臂 GZ40采用“假定重心點法”［3］計算，該值以△離為引數(shù)從E輪“假定重心形狀穩(wěn)性力臂GAZA表”(圖8)中內插求取。綜上所述，對橫傾角θh公式編程，單元格L21輸入“=INDEX(GAZA 表!F3:F21，MATCH(L15，GA-ZA表!A3:A21))+(L15-INDEX(GAZA表!A3:A21，MATCH(L15，GAZA 表!A3:A21)))*(INDEX(GAZA 表!F3:F21，MATCH(L15，GAZA表!A3:A21)+1)-INDEX(GAZA表!F3:F21，MATCH(L15，GAZA 表!A3:A21)))/(INDEX(GAZA 表!A3:A21，MATCH(L15，GAZA 表!A3:A21)+1)-INDEX(GAZA 表!A3:A21，MATCH(L15，GAZA表!A3:A21)))-(L16-GAZA表!MYMGMYM1)*SIN(40*PI()/180)-0.8*L17/L15”，計算結果為1.5m，符合衡準要求。同樣方法，完成抵港狀態(tài)下的θh及GZ'40公式編程，計算結果如圖5所示。到此，當采用“簡化條件法”校核船舶穩(wěn)性時，離港、抵港兩種狀態(tài)下的《1974SOLAS》三項穩(wěn)性衡準指標［5］均校核完畢，“散裝谷物船穩(wěn)性計算表”的編制完成。

圖8 E輪船舶資料之“假定重心形狀穩(wěn)性力臂GA ZA表(部分)”

三、散裝谷物船穩(wěn)性計算表在教學及評估中的實踐應用

筆者在實踐中利用Excel分別編制了美國、澳大利亞、加拿大三種版本的“散裝谷物船穩(wěn)性計算表”，經(jīng)設置保護［4］后的表格已形成獨立的計算程序，作為教學工具在船員培訓中使用。使用者只需在“基本計算”工作表中輸入適用載重線、航次儲備量、貨物積載因數(shù)及擬定配艙方案后，計算表就能立即完成“專用散糧計算表”的全部計算及穩(wěn)性衡準。該計算表具備以下功能與優(yōu)點:自動查表與自動內插計算;邏輯判斷，自動顯示結果;簡單易用、方便快捷，且計算準確等。

教學過程中，教師可利用其自動計算功能隨時提供各環(huán)節(jié)的具體數(shù)據(jù)，這種“演示教學”有利于學員對知識的迅速理解和把握;培訓學員可利用其進行練習核對，能迅速查出錯誤之處，起到了對癥下藥的作用?？荚囋u估時，評估員可利用其對船員答題卷進行評估考核，省去親自計算所帶來的耗時、易差錯等麻煩，提高評估的準確性、高效性及公平公正性。經(jīng)過多年的實踐應用，計算表為該項目的教學及評估工作帶來了極大的便利，提高了教學效果與教學質量，得到了使用師生和海事局主管考官的一致好評。從事散裝谷物運輸?shù)拇按蟾奔跋嚓P工作人員可以通過借鑒編寫適用于本船的類似散裝谷物計算軟件，提高實際工作效率。

［1］中國海事局.中華人民共和國海船船員適任考試大綱［M］.大連：大連海事大學出版社，2012.

［2］中國海事局.關于印發(fā)《中華人民共和國船員適任評估員管理辦法》的通知［EB/OL］.［2012-10-25］.http：//www.msa.gov.cn/Notice/Notice/e675a4e7-8358-473b-bedf-990246a3951a.

［3］王 捷.海上貨物運輸：2版［M］.大連：大連海事大學出版社，2012.

［4］陳亞飛.EXCEL在貨物積載與系固評估中的應用［J］.航海教育研究，2008，25(2)：53-55.

［5］國際海事組織.國際散裝谷物安全裝運規(guī)則［M］.北京：人民交通出版社，1993.